书城科普读物动手做实验丛书--金属实验改进设计实践
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第12章 关于铁的化学实验的操作和改进(4)

③取5mLNa2SO3浓溶液于试管中,逐滴加入FeCl3溶液,观察到溶液马上变成红褐色,无气泡产生,无沉淀生成,继续加入FeCl3溶液,溶液颜色变化不大,无气泡产生,无沉淀生成,(控制FeCl3溶液不过量),再向红褐色胶体溶液中加入过量稀盐酸,有气泡产生,溶液变为黄色,将该溶液分为两份,其中一份中滴入KSCN溶液,溶液变为血红色;另一份中加入BaCl2溶液,溶液变浑,有少量白色沉淀生成,用稀释后的FeCl3、Na2SO3溶液同上操作,产生相同的现象。

用Fe2(SO4)3溶液代替FeCl3溶液加入Na2SO3溶液中,现象与FeCl3溶液加入Na2SO3溶液现象完全相同。

实验证明:

①Fe3+与SO2-3混合,既发生双水解反应,又发生氧化-还原反应,但以双水解反应为主。

②Fe3+与SO2-3发生双水解反应时,并没有SO2气体生成,生成的H2SO3没有分解,故现象与Fe3+与CO2-3反应的现象不完全相同,反应方程式也只能写成。

2Fe3++6H2O+3SO2-3=2Fe(OH)3(胶体)+3H2SO3,而不能写成:

2Fe3++3H2O+3SO2-3=2Fe(OH)3(胶体)+3SO2↑这是由于H2SO3与H2CO3强弱不同,SO2-3与CO2-3水解程度不同所致。

③将Na2SO3溶液滴入FeCl3溶液或将FeCl3溶液滴入Na2SO3溶液,现象差别不大,均无沉淀生成。

陕西省镇安县中学文德方老师认为:Fe3+与SO2-3反应,单依电极电势从理论上判断仅发生氧化-还原反应或仅依据实验现象判断只发生双水解反应,都是不确切的。由于Fe3+与SO2-3反应较为复杂,教学中要遵重实验事实,不要学生设计Fe3+与SO2-3反应的产物判断、书写离子反应方程式等问题为妥。

关于铁的几个实用性实验

铁的性质是中学重点知识之一,其应用继指南针之后,又有了许多新的发现。将其借鉴于教学中,作为演示实验,实为不可多得。就此,江西省抚州市第一中学戢军勇老师择举三例。

铁的金属性是很强的,它极易与氧结合,铁粉自燃实验是一极好的例证。取2克草酸亚铁粉末,装入干燥试管中,用酒精灯加热,待黄色粉末变成黑色铁粉后,移开洒精灯,并迅速用橡皮塞塞紧试管口待用。演示时,拔去塞子,缓缓撒出试管中铁粉,即可看到铁粉自燃,闪现出一簇簇火花。用这种铁粉与干的细锯末混和,便可做医用热敷带,使用非常方便。

铁有两种价态--+2价和+3价,在空气中尤其在碱性条件下Fe2+离子极易被氧化成Fe3+离子。有位日本科学工作者利用铁的这一特性获得了一项食品保鲜方面的专利。大家知道,食品腐败变质是由于食品氧化及霉菌、细菌、酵母等微生物和虫类繁殖的结果。食品氧化是氧气直接所致,而微生物和虫类的滋生也与氧气密切相关。日本这位发明者发明的食品保鲜剂即是以硫酸亚铁为脱氧主剂的,其制法是:L-抗坏血酸钠3克,硫酸亚铁83克,活性炭2克,氢氧化钙2克,氯化钙1克,抗坏血酸钠在此作为还原剂起延长保鲜剂使用寿命的作用。演示时,可取01M硫酸亚铁溶液2毫升于试管中,从中滴入碱液后,立即出现白色转为绿色最后为褐色的现象,充分说明了氢氧化亚铁向氢氧化铁的转化。此时,继续加入抗坏血酸钠(维生素C)或葡萄糖液1毫升,振荡后,褐色迅速转化为白色。随后,液面上层又将出现绿色,振荡后消失,如此循环,直至还原剂消耗完为止。

锌跟水反应的实验方法

锌在红热状态时可以跟水蒸气反应,生成氢气。但该反应在玻璃容器内进行时,玻璃容器容易炸裂,导致实验失败。为此,河北玉田师范学校齐俊林老师对该反应的实验方法进行了研究改进。

实验原理

Zn+H2O(气)红热ZnO+H2↑实验用品

07×25厘米无缝铜管一根;100毫升短颈圆底烧瓶一只;酒精灯两盏;铁架台、铁夹十字夹各一个;水槽一个;12×12厘米试管一支;另外还有玻璃管、硬质橡胶管、橡胶塞、热水、锌粉等。

实验方法

将仪器按图装好后,用一盏酒精灯加热圆底烧瓶内的热水使其沸腾。当水蒸气将装置内的空气排尽时,再用另一盏酒精灯加热铜管内的锌粉,用排水集气法在试管内收集气体。

实验现象

(1)加热锌粉5分钟可收集半试管的气体。将该气体移近火焰时,可听到“噗”的响声,说明该气体为氢气。

(2)停止加热。待铜管冷却后,拆下铜管并将铜管内的粉末倒出,可观察到锌粉已经变成了白色的氧化锌。

锌和碘实验装置的改进

高中化学课本第一册第43页的实验2-4,按课本上的要求,取05克锌粉和05克碘混和,加水1-2滴,其实验现象不够明显,且只有水滴到的地方才产生气泡和紫色蒸气,坩埚中反应物不能完全反应,况且产生的碘蒸气有毒,为使实验现象鲜明,有效地培养学生的观察能力,湖北省沙洋农场第一中学左香华老师在演示实验中作了如下改进:

操作:

先称取1克锌粉和1克碘粉在干燥、洁净的研钵中研磨,使之混和均匀,然后用纸槽把混和物小心送入园底烧瓶底部,再把带分液漏斗的双孔塞与烧瓶连接,固定在铁架台上。打开分液漏斗,让水慢慢滴下,最多放1毫升水。这样即可观察到烧瓶底部冒出大量气泡,且瓶中紫色蒸气不断升腾;盛淀粉溶液的试管中溶液颜色变蓝。最后取下烧瓶让学生用手接触,有十分明显的烫手的感觉,说明该反应是放热的。

注意事项:

①取用的烧瓶要干燥,否则未加水便可发生反应,从而影响实验效果。

②加水时速度要慢,便于学生观察。

③烧瓶中的药品反应完毕后,让学生用手摸烧瓶,证明该反应是放热的。

装置改进后的优点:

①实验现象较用坩埚明显。

②有毒的碘蒸气不会在教室中扩散。

③为验证碘的特性--使淀粉溶液变蓝打下了基础。

较易溶于水(或弱酸)的酸式磷酸盐。”此话有两点费解之处。其一,与课本相比,将“制造磷肥的目的”改为“制造磷肥的主要步骤”不可思议,“目的”和“步骤”,风、马、牛不相及,有截然不同的词意,在这里看不出有必然的联系,结合上下文,不难发现,制造磷肥还是为了达到使“磷”能被植物吸收的“目的”,其二,在磷酸盐前加上“酸式”两字,也欠妥当。“磷肥”并不特指酸式磷酸盐,它也包括磷矿粉、钢渣磷肥、钙镁磷肥等非酸式磷酸盐。从另一角度讲,酸式磷酸盐既然溶于水,也必然溶于弱酸,因此也就没有必要外加注释。综上所述,我们认为应将此话修改成:“制造磷肥的目的就是使难溶于水的磷矿石转化为较易溶于水(或弱酸)的磷酸盐为妥。”

合金的制取和性质实验

为有利于学生合金概念的形成和对合金的一个重要物理特性的全面理解,天津市大港石油管理局第六中学刘培栋老师设计此探索性实验。

原理

(1)合金的概念。

(2)一般地说,合金的熔点比它的各成金属的熔点都低。

操作步骤

(1)固态金属生成液态合金

在干燥洁净的15×150毫米的小试管中,先用胶头滴管加入3至4毫升石蜡油(煤油也可以),再加入黄豆粒大小的、切去氧化层的、固体金属钾和钠各几小块。展示:小试管中的钾钠仍呈固态。然后用干燥洁净的玻璃棒,插入抵在桌面上的试管中,用玻璃棒把钾、钠金属块小心地往一起挤压。反复数次,则固体钾钠很快熔为银白色金属光泽的液态合金球。这种合金的熔点在-11℃至5℃之间。

(2)液态金属生成固态合金

用自制的长颈胶头滴管吸取约05毫升的钾钠合金(尽量不吸入氧化物),加入到盛有05毫升金属汞的小试管中,迅速反应并放出大量的热。同时凝结为钾钠汞合金的固体。

(3)合金的性质

在各盛约20毫升蒸馏水的甲乙两个50毫升的小烧杯中,分别加入5至10滴无色酚酞试剂备用。

把盛有钾钠汞固体合金的小试管中的石蜡油连同固体合金,小心地倾倒在一个干燥洁净的小烧杯中。用镊子取出合金放在滤纸上。用滤纸轻轻挤压合金,吸掉合金表面上的石蜡油后,再用镊子把合金放入甲烧杯中,合金沉入水底。初始阶段,反应很快,产生气体,溶液逐渐变红(钾钠合金的密度比汞小,可能合金表面钾钠含量较高)。尔后,反应速度逐渐缓慢。此时可得到银白色金属光泽的固体合金。用镊子取出展示,并在滤纸上画出银白色痕迹,可见其质地柔软。把它重新放入水中,则与水反应的速度更加缓慢。

用长颈胶头滴管吸取少量钾钠合金(尽可能地少吸石蜡油),加入到乙烧杯中(尽可能地少把石蜡油加入到烧杯中,以免影响火焰的焰色)。合金液球浮在水面上,剧烈反应而燃烧,溶液迅速变红。

钾钠合金暴露在空气中,表面很快变成灰褐色;而钾钠汞合金在空气中较长时间后才缓慢地在表面上出现灰褐色。

(4)汞的回收

把演示后的钾钠汞固体合金,放入盛有25毫升1摩尔浓度盐酸的小烧杯中。有大量气泡产生,最后得到银白色金属光泽的液态金属球。此时,需用胶头滴管多次在液面下把金属球吸入、放出,尽量使金属球分散成多个小球,以使溶在汞中的微量钾钠与酸或水充分反应,以除尽溶在汞中的钾钠。

K·Na·nHg+2HCl=KCl+NaCl+nHg+H2↑K·Na·nHg+2H2O=KOH+NaOH+nHg+H2↑最后,使之聚集成一个汞球。用胶头滴管把汞球从液面下吸取后小心地放在滤纸上滚动,吸去水分后,回收到试剂瓶中,以防汞污染环境。

成败关键(1)吸取汞和钾钠合金的胶头滴管不能混用,以防在滴管内生成固体合金。

(2)滴管的胶头和玻璃管的结合部,一定密封。如用橡皮筋扎紧,以利吸汞和防止汞的撒落。

比较锡、铅和锡铅合金的熔点的实验

分别取一块豌豆粒大小的锡、铅和锡铅合金,用力各插上一个大头针,然后分别放在圆铁片边缘上的三个凹坑里,让大头针直立起来,把圆铁片慢慢地放在铁架台的铁圈上(注意不要让大头针翻倒),用酒精灯在铁片中心直接加热,可观察到插在锡铅合金块上的大头针首先翻倒,插在锡块上的大头针次之,最后才是插在铅块上的大头针倒下,由此可知锡铅合金先熔化,其次是锡,最后是铅,从而说明它们三者的熔点是从低到高。

金属性质小实验

碱金属(钾、钠)的光泽

常见金属(如铜、铁)的化学性质较稳定,我们不难观察到它们的光泽;铝的化学性质活动,但因其表面能被缓慢氧化生成致密的薄氧化膜,使铝得到保护,却不影响我们对其颜色和光泽的观察;但碱金属、碱土金属则不同了,因其化学性质非常活泼,即使刚切好的断面也会因迅速氧化而“不识庐山真面目”,怎样才能观察到它们固有的光泽呢?

要做到这一点并不难,只要我们取两支粗细不等的试管,使细的能套在粗的当中并自由滑动,然后抽出细试管,向粗试管中投入一块金属钾(或钠),再将粗试管放在热水中浸泡,待试管中钾(或钠)熔化后立即将小试管推入并借助胶头玻璃棒轻轻挤压,待钾(钠)填满试管底并冷凝固定后即拔出玻璃棒、堵上胶塞。这样同学们就能看到钠或钾的真正状态了。如果把胶塞换成注入熔化的石蜡,就能永久保存了。

钠、钾的柔韧性柔韧性是靠手的触觉来感知的,常见金属性质稳定常摸常用这不成问题。但钾(钠)化性活动,很容易与水(即使是少量的)反应且放出大量的热,所以一定不能直接用手触摸它。怎样感知它们的软硬呢?同学们可用盛味精或发酵粉的小塑料袋,拿干布把里外擦净,再在里面放一块金属钾(或钠),用钉书机或大头针将口封好就可以用手轻易地将它捏成小“饼儿”,因而不难体会出它们“像酱豆腐”似的柔软了(见图)。

金属的导热性

金属的导热能力与导电能力是一致的,用什么实验来证明这一点呢?

取等粗、等长的三段铜、铝、铁丝,烧热后各插一段用小蜡烛切成的蜡块(插入长度要相等),再在蜡块上方插上用火柴梗作的小旗。最后再通过硬纸板固定在大烧杯口上。

从用酒精灯对大烧杯加热开始,“比赛”也就开始了,不难看到在这场比赛中铜得第一,铝得第二,铁得第三。